南极陆坡流对绕极深层水入侵普里资湾的影响

论文总字数：18892字

目 录

1、引言…………………………………………………………………１

1.1 主要研究内容…………………………………………………………………………１

　　1.2 研究意义………………………………………………………………………………２

　　1.3 普里兹湾附近主要水团研究概况……………………………………………………３

2、数据资料的整理及初步处理………………………………………４

　　2.1 观测数据资料…………………………………………………………………………４

　　2.2 模式数据资料…………………………………………………………………………４

3、MCDW对普里兹湾的入侵分析………………………………………５

　　3.1 普里兹湾附近主要水团的气候态分布………………………………………………５

　　3.2 MCDW入侵特征…………………………………………………………………………６

　　3.2.1经向断面分析…………………………………………………………………７

　　3.2.2纬向断面分析…………………………………………………………………９

　　3.2.3典型温盐平面分析…………………………………………………………１０

　　3.2.4 MCDW入侵位置的进一步确定………………………………………………１１

　　3.2.5 MCDW入侵特征的季节变化…………………………………………………１３

4 讨论总结…………………………………………………………１３

　　4.1 主要结论……………………………………………………………………………１３

　　4.2 研究讨论……………………………………………………………………………１４

参考文献……………………………………………………………１５致谢…………………………………………………………………１７

MCDW对普里兹湾的入侵分析

王程

, China

Abstract: The Circumpolar Deep Water (CDW) in the upwelling process, it is mixed with the Shelf Water (SW) to form the Modified Circumpolar Deep Water (MCDW). MCDW is of great significance to the invasion of Prydz bay. Based on China's 28, 29 and 30 times Prydz bay CTD observation data, and the southern elephant seals CTD data and model data, comparison and research, the MCDW invasion at Prydz bay are analyzed. This topic will collect available Marine observations, combined with high-resolution coupled ocean-sea ice shelf model, in climatology and Seasonal variation scale. To analyze the CDW in the vicinity of Prydz bay explores the path of the MCDW invasion of the continental shelf, and discusses its influence on the characteristics of the water mass in the Prydz bay. This study will help to improve the understanding of the MCDW, and also facilitate the deep understanding of the circulation and water mass transport process in the surrounding waters of Prydz Bay.

Keywords: Water Mass; Prydz Bay; Circumpolar Deep Water; Modified Circumpolar Deep Water

1、引言

1.1 主要研究内容

南大洋有充足的生物资源，在水文特质上具备独特性。在20世纪50年代，1957年—1958年的国际地球物理年期间，共同展开了针对普里兹湾的南大洋观测，获取了科学调查和研究的资料。此后，前苏联、美国、日本、法国和澳大利亚等国家也展开了大批的调查研究工作。在对普里兹湾的国际联合调查计划BIOMASS（1977—1986年）中，重点对海洋生物、海洋化学和物理海洋等要素进行了调查和研究，进一步认识该海域水团和环流的基本特征（徐智昕等，2016）。

中国南极中山站成立于1989年2月26日，坐标为南纬69°22′24″、东经76°22′40″，位置在拉斯曼丘陵，东南极大陆普里兹湾边。自此，普里兹湾便成为中国南大洋考察的一个关键海域，累积了丰富的资料。1984年中国开始进行南极科学考察，到目前为止已连续完成了30多个航次，本文以变性绕极深层水（Modified Circumpolar Deep Water，MCDW）入侵普里兹湾为重点，讨论其对普里兹湾内水团特征的影响，选取第28、29和30次科学考察获取的普里兹湾及其邻近海域的CTD资料进行分析和研究。如图1所示为第28、29和30航次的调查站点分布图。

图1 中国第28、29和30次普里兹湾及附近海域南极考察的CTD站位分布

如图1所示，在28、29和30航次的调查站点分布在普里兹湾及附近海域的范围大致是64°E～84°E，62°S～72°S。28航次的数据集中在73°E断面，30航次的数据集中在75.3°E断面。相较于28和30航次， 29航次的站点分布最多，有63个站点，积累的资料最多，其中73°E，75.5°E和78°E是本文着重研究的经向断面。

科考人员通过布放携带CTD设备的南象海豹进入南大洋中觅食和迁徙，平均每天可以接收3~4条CTD水文数据剖面（徐智昕等，2016），来收集普里兹湾及其附近海域的观测水文剖面。本文用携带CTD记录器的南象海豹收集的2016和2017的水文数据，绘制了普里兹湾及其附近海域的位温剖面，更进一步研究的MCDW存在的区域范围。

由于南极的地形和天气比较恶劣，特别是冬季，难以获得现场观测资料，所以本文将结合高分辨率海洋-海冰-冰架耦合数值模式数据综合分析，补充现场观测数据在时间和空间上的局限性。

通过前期研究，对普里兹湾周边海域的环流和水团输运过程，获得了初步的认识。在此基础上，本文收集整理了普里兹湾及其邻近海域的观测数据及模式数据，进行绘图分析，并对比分析，旨在气候态和季节变化尺度上，分析MCDW入侵大陆架的位置和南极陆坡流（Antarctic Slope Current，ASC）对MCDW入侵的影响。本论文第二部分主要整理和分析28、29和30航次的观测数据，海豹CTD数据和模式数据，以便下一步绘图分析。第三部分重点关注MCDW入侵普里兹湾的分析。首先介绍普里兹湾附近主要水团，然后对MCDW涌升陆架特征分析，确定MCDW入侵的关键位置和在季节尺度上运输的变化。第四部分是结果分析和研究展望。

1.2 研究意义

普里兹湾因其复杂而独特的沿岸和海底地形，丰富的水团类型和环流结构，决定了其物理海洋学研究的重要意义。前人利用南极科考资料，对MCDW对普里兹湾的入侵开展了大量的研究工作，但缺乏CDW可以南伸到普里兹湾陆架区的直接证据（林丽娜等，2016）。

普里兹湾（Prydz Bay）在威德尔和罗斯海之后，是南极洲的第三大海湾，位于南大洋的印度洋扇区，大致在66.5°～69.5°S，68°E～78°E的范围内，毗邻南极冰架Amery冰架(AIS)。普里兹湾和南大洋之间发生着质量、热、盐和营养盐的交换（Heil et al., 1996; Wong and Riser, 2013），ASC是环绕南极大陆的一支向西流，自东向西流过普里兹湾外陆坡区（Smith et al.，1984；史久新等，2000），主要通过湾口狭窄水道联通湾内外水体，一般位于南极陆架坡折北侧，具有较强的正压性（e.g. Heywood et al.，1999；Meijers et al.，2010），不仅显著影响着跨越陆架的热量、淡水和其它物质交换，还影响了南大洋与大陆边缘之间的水团输运（Mathiot et al.，2011），对全球经向翻转环流有重要影响。普里兹湾及周边海域与南大洋水团的质量、热量、动量等方面的交换过程，直接受到ASC的影响。（Heil et al.，1996）。因此，研究和分析MCDW入侵普里兹湾，与ASC有密不可分的关系。

对绕极深层水（Circumpolar Deep Water，CDW）等水团跨越南极陆坡锋输运的研究，已经通过观测或模拟等方法在南极周边许多海域展开，但是对普里兹湾及其以东的研究相对缺乏。前人通过热量平衡分析，已经发现了季节性入侵普里兹湾的MCDW存在的证据（Heil et al.，1996）。在沿陆坡向岸涌升过程中，CDW逐渐与陆架水（Shelf Water，SW）相互作用而变性，很可能成为南极底层水的一个新的来源（Yabuki et al.，2006)。在南极陆坡区域，存在与ASC对应的一个显著温盐锋面，被称为南极陆坡锋，是由CDW南侵过程中不断涌升，与离岸扩散的南极陆架冷水之间在接近南极大陆附近形成的一个较强锋面，这明显影响了跨越大陆坡的热量、南极大陆周围的水团输运和淡水交换（于洪华等，1998）。

CDW是南大洋分布最广的水团，有很强的涌升现象。在涌升过程中， SW与CDW混合形成MCDW。涌升有密度、盐度和温度明显高于周围的水团的特征。CDW向陆架海域的南侵和涌升现象对南极底层水（Antarctic Bottom Water，AABW）的生成有非常重要的意义，同时也影响到南极表层水（Antarctic Surface Water，AASW）的向北扩展的范围以及南极陆坡锋的位置和强度。CDW涌升的过程可以使营养物质源源不断地进入海洋表层水，这对海洋生物有大的价值（林丽娜等，2016）。另外，CDW的涌升和向陆架海域的南侵对AABW的形成与否有着重要的影响，同样也关系到AASW的北向扩展范围以及南极陆坡锋的强度和位置,具有重要的研究价值。

1.3 普里兹湾附近主要水团研究概况

普里兹湾及附近海域的水团主要包括：夏季表层水（the Summer Surface Water，SSW），冬季水(the Antarctic Winter Water，WW)， CDW，冰架水（Ice Shelf Water，ISW）、SW等。主要环流系统则包括：南极陆坡流，南极绕极流，普里兹湾流涡。其中ASC横贯于普里兹湾和南大洋之间，并通过狭窄的湾口水道与普里兹湾产生直接联系。

CDW温盐范围为0.5°C≤T≤2.0°C，34.60≤S≤34.75psu，并且在250m—3000 m深度范围的涌升有明显时空和年际变化，从成因上来说属于风生上流，CDW主要位于陆坡及其以北海区，并在100-2000m从北向南扩展，CDW向南涌升的过程中，受湾内顺时针环流影响，从而影响75.50°E断面（吴成祥等，2017）。在63°00′S~64°00′S，CDW涌升最明显，73°E剖面最强。涌升中心大约在（73°E，64°S）位置（林丽娜等，2015）。在大陆架上，当地的沿岸风应力控制着大陆架断裂的跃层深度，从而限制了涡流驱动CDW的向岸运输，CDW的向岸运输是由中尺度涡流运输完成的。理想地形模式模拟结果表明，表层水输运几乎完全由海面风驱动，CDW的向岸输运则受涡旋影响很大。然而，陆坡附近的涡旋活动实际上还受到局地温盐锋面结构和环流系统的影响。

CDW的性质相对稳定，南向涌升与SW混合形成MCDW，是CDW和SW的过渡水团，温度范围-1.50°C≤T≤0.50°C，盐度范围S＞34.20psu，MCDW的涌升具有明显的年际变化。在涌升陆架过程，路径往东南方向偏移，并在达到75°E附近时，流入气旋式环流。MCDW主要通过73°E断面涌升陆架，不断与SW混合，有高温高盐的特质，但温度要素变化更明显。（林丽娜等，2016）MCDW位于南极陆坡锋，SW北向运输和CDW南向涌升，增大了两者的温度梯度，使南极陆坡锋的锋面强度在该处加强。73°E断面上SW扩展范围在62°54′S~65°12′S之间，形成高盐陆架水（High Salt Shelf Water，HSSW）（S＞34.62psu），初夏扩展最强。SW的北扩，在AASW和CDW之间形成温度均匀层，与WW性质相似，但盐度偏大（林丽娜等，2013）。

CDW的涌升和向陆架海域的南伸，关系到AASW的北扩范围及南极陆坡锋的强度和位置。（林丽娜等，2016）AASW分布在南极大陆向北到南极辐散带之间，温度较高，盐度较低。分为夏季表层水（SSW）（T≥-0.5°C，S＜34.20psu）和冬季水（WW）（T＜-1.5°C，34.20＜S＜34.50psu），在太阳辐射和海冰的影响下，盐度和温度的变化范围较大，年际变化显著，厚度随纬度变化。AASW运输是由风驱动的，其表层的绝热变化是由与海冰的热盐交换所支撑的。AASW/CDW边界在大陆坡上形成了一个特征“V”形状，它支持一个表面强化的斜坡流，随着大陆架断裂向左流动（Stewart et al.，2015）。

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